II Pracownia Fizyczna > Ćwiczenia laboratoryjne > Ćwiczenie 20
Wyznaczanie stosunku e/kB oraz przerwy energii
wzbronionej w półprzewodnikach
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z fizycznymi podstawami działania
złącza p-n, podstawowego elementu wielu urządzeń półprzewodnikowych.
Ćwiczenie polega na wykonaniu pomiarów zależności natężenia prądu płynącego
przez złącze od przyłożonego napięcia (charakterystyk I(V)) dla
różnych temperatur. Analiza otrzymanych charakterystyk pozwala na wyznaczenie
stosunku e/kB i przerwy energii wzbronionych
krzemu.
Zagadnienia teoretyczne:
- Podstawy teorii półprzewodników. Teoria pasmowa, przerwa energii
wzbronionych.
- Półprzewodniki samoistne, półprzewodniki typu n i p.
Przewodnictwo elektronowe i dziurowe. Donory i akceptory, prosta teoria
energii wiązania elektronu na donorze i dziury na akceptorze. Złącze
p-n, prądy nośników większościowych i mniejszościowych bez napięcia
zewnętrznego. Zależność prądów płynących przez złącze p-n od
przyłożonego do niego napięcia, charakterystyka prądowo-napięciowa, równanie
diody. Zależność prądu nośników mniejszościowych od przerwy energii
wzbronionych i temperatury.
- Wyznaczanie stosunku e/kB z charakterystyki
tranzystora mocy.
- Wyznaczanie szerokości przerwy energii wzbronionych Si z charakterystyki
tranzystora mocy.
- Graficzne przedstawienie wyników pomiarów z użyciem jednego z dostępnych
komputerowych programów graficznych, dopasowanie krzywych teoretycznych do
punktów doświadczalnych, dyskusja błędów.
Literatura
- Peter J. Collings, Simple measurement of the band gap in silicon and
germanium, Am. J. Phys. 48, 197 (1980). (odbitka ksero)
- Fred W. Inman and Carl E. Miller, The Measurement of e/k in the
Introductory Physics Laboratory, Am. J. Phys. 41, 349 (1973). (odbitka
ksero)
- Ch. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN Warszawa 1976, lub
nowe wydanie (biblioteka IF UMK).
- H. Ibach, H. Lüth, Fizyka ciała stałego, Wydawnictwo Naukowe
PWN Warszawa 1996, nowy podręcznik, są egzemplarze w bibilotece IF UMK i w
biblioteczce II Pracowni Fizycznej.
- Kiriejew - Fizyka półprzewodników.
- Azaroff - Struktura i własności ciał stałych.
- W.A. Harrison - Teoria ciała stałego.
- Cydlikowski - Elektrony i dziury w półprzewodnikach.
- G. I. Jepifanow - Fizyczne podstawy mikroelektroniki.
- J. M. Ziman - Wstęp do teorii ciała stalego.
Układ pomiarowy:
W skład układu pomiarowego pokazanego na rysunku wchodzą zasilacz,
dzielnik napięcia, woltomierz i amperomierz. Tranzystor mocy umieszczamy w
kalorymetrze z termometrem.
Wykonanie ćwiczenia:
- Mierzymy charakterystykę prądowo-napięciową I(U) w kierunku przewodzenia
w temperaturze pokojowej (sprawdzamy i notujemy dokładną temperaturę).
- Sprawdzamy poprawność wyników wykreślając charakterystykę I(U) (log
naturalny z natężenia prądu w funkcji przyłożonego napięcia). Dobra liniowość
charakterystyki, brak skoków, punktów silnie odstających od prostej, świadczą
o poprawności pomiaru.
- Powtarzamy pomiar dla kilku innych temperatur stosując odpowiednie
mieszaniny. Niskie temperatury otrzymujemy używając mieszaniny lodu z solą i
wody z lodem. Dla osiągnięcia wyższych temperatur stosujemy gorącą wodę
(zachować ostrożność!!!). Wybieramy kilka temperatur z zakresu 30-70°C,
po osiągnięciu danej temperatury (możemy obniżać temperaturę np. dodając
zimnej wody), opóźniamy dalsze obniżanie temperatury wskutek stygnięcia do
czasu wykonania pomiaru charakterystyki podgrzewając naczynie z wodą na
piecyku elektrycznym.
Opracowanie wyników:
- 1. Wprowadzamy otrzymane wyniki pomiarów do pliku (Excel, Grapher,Origin
lub SigmaPlot) i wykreślamy je, odpowiednio dobierając osie (log naturalny z
natężenia prądu na osi Y, napięcie na osi Y)
- Wykonujemy dopasowanie prostą (y = ax + b) i odczytujemy wartości
a i b (z błędami).
- Wykonujemy wykres współczynnika a w funkcji odwrotności
temperatury i dopasowujemy prostą (y = ax, bez współczynnika
b). Odczytujemy nachylenie prostej (będzie to szukany stosunek
e/kB)
- Wykonujemy wykres współczynnika b w funkcji odwrotności
temperatury i dopasowujemy prostą (y = ax + b). Współczynnik
kierunkowy prostej, po przeliczeniu, wyznaczy przerwę energii wzbronionej
materiału półprzewodnikowego, z którego wykonano badany tranzystor mocy.
Stara wersja tej strony